時(shí)分長期演進(jìn)上行協(xié)作多點(diǎn)技術(shù)原理與實(shí)踐

中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司無錫分公司 羅一民 馮新華 楊錫繼

0 引言

在LTE（長期演進(jìn)）系統(tǒng)中，OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)和MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)通過把高速率的數(shù)據(jù)流分成若干低速率的數(shù)據(jù)流，調(diào)制到一組正交的子載波集上進(jìn)行傳輸，可以有效地消除小區(qū)內(nèi)的干擾。但是在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得更高的頻譜利用率，TD-LTE（時(shí)分長期演進(jìn)）系統(tǒng)采用了同頻組網(wǎng)的方式，使得位于小區(qū)邊緣的用戶將接收到來自相鄰小區(qū)的同頻干擾，嚴(yán)重限制了邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量和吞吐量，并且OFDM技術(shù)無法有效地消除小區(qū)間干擾。為此，3GPP（第3代伙伴計(jì)劃）在提出了很多新的關(guān)鍵技術(shù)，協(xié)作多點(diǎn)（CoMP）傳輸技術(shù)就是其中之一。CoMP無論是在上行還是在下行，都可以提高系統(tǒng)性能，尤其是改善小區(qū)邊緣頻譜效率及性能。雖然CoMP增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但能顯著提高容量和覆蓋增益，有效減小小區(qū)間干擾。

1 CoMP原理介紹

1.1 CoMP技術(shù)概述

協(xié)作多點(diǎn)（CoMP）傳輸技術(shù)是指協(xié)作的多點(diǎn)發(fā)射/接收技術(shù)，這里的多點(diǎn)是指地理上分離的多個(gè)天線接入點(diǎn)。它是利用光纖連接的天線站點(diǎn)協(xié)同在一起為用戶服務(wù)，相鄰的幾個(gè)天線站或節(jié)點(diǎn)同時(shí)為一個(gè)用戶服務(wù)，從而提高用戶的數(shù)據(jù)率。協(xié)作多點(diǎn)通信系統(tǒng)模型見圖1。

CoMP技術(shù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)（基站、用戶、中繼節(jié)點(diǎn)等）協(xié)作傳輸，解決現(xiàn)有移動(dòng)蜂窩單跳網(wǎng)絡(luò)中的單小區(qū)單站點(diǎn)傳輸對(duì)系統(tǒng)頻譜效率的限制，更好地克服小區(qū)間干擾，提高無線頻譜傳輸效率，提高系統(tǒng)的平均和邊緣吞吐量，進(jìn)一步擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋。

1.2 CoMP功能核心思想

目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要問題是：基站的交界處存在干擾和覆蓋質(zhì)量下降的問題，導(dǎo)致終端在小區(qū)切換部位的性能較差。CoMP核心思想是當(dāng)終端位于小區(qū)邊界區(qū)域時(shí)，它能同時(shí)接收到來自多個(gè)小區(qū)的信號(hào)，同時(shí)它自己的傳輸也能被多個(gè)小區(qū)同時(shí)接收。對(duì)于上行CoMP，信號(hào)可以同時(shí)由多個(gè)小區(qū)聯(lián)合接收并進(jìn)行信號(hào)合并，同時(shí)多小區(qū)也可以通過協(xié)作調(diào)度來抑制小區(qū)間干擾，從而達(dá)到提升接收信號(hào)信噪比的效果。上行多點(diǎn)協(xié)同傳輸原理見圖2。

1.3 CoMP分類

按照進(jìn)行協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，CoMP主要分為站內(nèi)協(xié)作（intra-site CoMP）和站間協(xié)作（inter-site CoMP），見圖 3。

1）同站協(xié)作（intra-site CoMP）：協(xié)作發(fā)生在一個(gè)站點(diǎn)內(nèi)，此時(shí)因?yàn)闆]有回傳容量的限制，可以在同一個(gè)站點(diǎn)的多個(gè)小區(qū)間交互大量的信息。且只需考慮eNB（演進(jìn)節(jié)點(diǎn)B）的處理時(shí)延，處理時(shí)延短得多，由于不用通過X2接口來交換復(fù)雜的協(xié)作信號(hào)，在站點(diǎn)間協(xié)作過程中就沒有額外的開銷。

2）站間協(xié)作（inter-site CoMP）：協(xié)作發(fā)生在多個(gè)站點(diǎn)間，由于在協(xié)作eNB之間需要共享調(diào)度信息、動(dòng)態(tài)的信道信息及用戶數(shù)據(jù)，且X2接口存在時(shí)延，因此共享的信息并不能反映即時(shí)的狀態(tài)，同時(shí)由于傳輸過程中需共享各種信息就引入了開銷問題，對(duì)回傳容量和時(shí)延提出了更高要求。

所以站間協(xié)作受到了X2接口承載能力及時(shí)延的限制，相比站點(diǎn)間協(xié)作，站內(nèi)協(xié)作能獲得較大的聯(lián)合傳輸增益和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并且頻譜利用率也得到提高。

1.4 上行CoMP功能算法原理

由于下行CoMP功能實(shí)現(xiàn)涉及終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，功能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜；而上行CoMP功能只需對(duì)基站檢測算法進(jìn)行改進(jìn)，無需對(duì)終端進(jìn)行改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)提升小區(qū)上行吞吐率。且目前TD-LTE系統(tǒng)上行速率受限于終端發(fā)射天線數(shù)量。因此，實(shí)現(xiàn)上行CoMP功能對(duì)提升TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能意義重大。

上行CoMP功能通過協(xié)作簇內(nèi)的多個(gè)小區(qū)對(duì)終端上行信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合接收和處理，抑制小區(qū)間的干擾，并獲得有用信號(hào)的接收分集增益，提高系統(tǒng)抗干擾能力。協(xié)作簇見圖4。

系統(tǒng)對(duì)協(xié)作簇接收的信號(hào)進(jìn)行MMSE（最小均方誤差）檢測，采用多天線接收合并算法〔MRC（最大比合并）或IRC（干擾抑制合并）〕，進(jìn)一步消除干擾。

試驗(yàn)仿真結(jié)果顯示：基站2天線配置下，在開啟上行CoMP功能后，小區(qū)邊緣用戶的增益明顯高于小區(qū)中點(diǎn)獲得的增益。2天線上行CoMP可帶來37%的平均增益，而邊緣增益到達(dá)99%，其中2個(gè)小區(qū)參與的協(xié)作簇增益較明顯。

2 上行CoMP功能規(guī)模實(shí)驗(yàn)網(wǎng)應(yīng)用

2.1 功能應(yīng)用背景

隨著TD-LTE的大規(guī)模試驗(yàn)組網(wǎng)，小區(qū)密集程度越來越高，同頻組網(wǎng)模式帶來的干擾問題成為抑制容量的主要瓶頸，尤其是小區(qū)邊緣網(wǎng)絡(luò)性能受限。

根據(jù)TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，密集城區(qū)的站間距300～500m，小區(qū)間干擾嚴(yán)重。

通過對(duì)鄰區(qū)數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)，88.7%的概率可以檢測到1個(gè)或多個(gè)鄰區(qū)，最多可檢測到6個(gè)鄰區(qū)信號(hào)，有34.2%的概率檢測到同站鄰區(qū)。

2.2 上行CoMP功能規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)測試

從仿真結(jié)果和現(xiàn)網(wǎng)鄰區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，同站2個(gè)鄰區(qū)作為上行CoMP協(xié)作簇獲得增益較高，無需通過X2接口進(jìn)行協(xié)作。同站上行CoMP（intra-siteCoMP）功能利用站內(nèi)基帶設(shè)備實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的聯(lián)合處理，提高上行吞吐率和頻譜效率。

2.2.1 測試環(huán)境

在規(guī)模TD-LET試驗(yàn)網(wǎng)中，選取PCI（物理小區(qū)標(biāo)識(shí)）為124和PCI為125為同站協(xié)作簇小區(qū)，進(jìn)行上行CoMP功能測試。該站點(diǎn)為D頻段兩天線基站，RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）發(fā)射功率為2×20W，上下行時(shí)隙配比1∶3，頻譜帶寬10MHz，與周邊基站間距500m左右。測試區(qū)域?yàn)榈桶用駱菆鼍啊?/p>

2.2.2 遍歷測試

在周邊站點(diǎn)無加擾和有加擾兩種狀態(tài)下進(jìn)行遍歷測試，對(duì)比分析服務(wù)小區(qū)在不同的RSRP（參考信號(hào)接收功率）電平區(qū)間段內(nèi)，與協(xié)作小區(qū)RSRP在不同的電平差值下獲得的增益情況，見圖5。

將服務(wù)小區(qū)的電平區(qū)間分為2個(gè)區(qū)間，低于－95 dbm定義為弱覆蓋區(qū)域，從電平強(qiáng)度上反映終端所處的位置，得出上行CoMP功能開啟后上行吞吐率的增益。

1）在無加擾環(huán)境下，上行CoMP增益為20%～40%。在RSRP高于－95dBm的區(qū)域上行吞吐率已經(jīng)達(dá)到峰值，故上行CoMP增益很??；在弱覆蓋區(qū)域內(nèi)上行CoMP有更高增益。

2）在加擾環(huán)境下，干噪比（IoT）等于12.5 dB，上行CoMP增益為50%～140%。上行CoMP表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾特性，由于沿兩協(xié)作小區(qū)邊界徑向測試，因此在強(qiáng)覆蓋區(qū)域也有20%左右增益，上行CoMP增益與加擾UE（用戶設(shè)備）的位置相關(guān)性較大。

2.2.3 切換帶測試

小區(qū)切換帶測試方案見圖6。由上面遍歷測試結(jié)果，在信號(hào)覆蓋較強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，上行CoMP功能帶來的上行吞吐率增益較小。為進(jìn)一步分析上行CoMP功能的應(yīng)用場景，定點(diǎn)考察評(píng)估小區(qū)邊緣獲得的增益，選取小區(qū)切換帶進(jìn)行測試。

2個(gè)UE放置在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)，同時(shí)在協(xié)作小區(qū)內(nèi)增加UE進(jìn)行加擾。UE1和UE2在切換帶內(nèi)移動(dòng)位置，在不同的位置對(duì)比開啟上行CoMP功能前后上行吞吐率的提升。

在有加擾的情況下，切換點(diǎn)CoMP功能帶來的上行吞吐率增益均達(dá)到100%，尤其是在弱覆蓋點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)上行CoMP功能的理論分析和現(xiàn)場功能驗(yàn)證，該功能能有效提升上行吞吐率，特別是小區(qū)邊緣。

1）在無加擾場景下，上行CoMP在聯(lián)合覆蓋區(qū)域可獲得20%～40%的上行吞吐率增益，信號(hào)較差點(diǎn)處增益較大，信號(hào)好點(diǎn)處增益較??；在上行加擾場景下，上行CoMP在聯(lián)合覆蓋區(qū)域可獲得50%～140%的上行吞吐率增益，增益與加擾場景和測試路線有關(guān)，上行CoMP表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾性能，在強(qiáng)信號(hào)覆蓋區(qū)域也會(huì)獲得CoMP增益，因此推論在同站協(xié)作小區(qū)的聯(lián)合覆蓋區(qū)域，可獲得較大CoMP增益。

2）在小區(qū)邊緣切換區(qū)域，CoMP可以獲得平均100%的增益，特別在弱覆蓋區(qū)域內(nèi)，能明顯改善弱覆蓋現(xiàn)象。

3）上行CoMP增益不以犧牲鄰站資源利用率為代價(jià)，協(xié)作小區(qū)中的所有UE都可以獲得上行CoMP增益。

TD-LTE系統(tǒng)采用同頻組網(wǎng)模式，如何降低干擾給網(wǎng)絡(luò)性能帶來的影響是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化面臨的巨大挑戰(zhàn)，上行CoMP技術(shù)能有效抵抗網(wǎng)絡(luò)干擾，擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，提升用戶的網(wǎng)絡(luò)感知。 ◆